Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ανάλυση και σχεδίαση αποκωδικοποιητών Low-Density Parity Check (LDPC) για δίκτυα πέμπτης γενιάς (5G). Οι LDPC κώδικες χαρακτηρίζονται από υψηλή διορθωτική ικανότητα. Ωστόσο, η αυξημένη πολυπλοκότητά τους συνεπάγεται σημαντικές απαιτήσεις σε πόρους. Συνεπώς η υλοποίηση αποδοτικών VLSI αποκωδικοποιητών ενέχει πολλές προκλήσεις.Σε αρχικό στάδιο πραγματοποιείται η προσομοίωση ενός ολοκληρωμένου συστήματος κωδικοποίησης καναλιού σύμφωνα με το πρότυπο 5G σε επίπεδο λογισμικού. Μέσω αυτού παρέχεται η δυνατότητα ανάλυσης και αξιολόγησης μεθόδων μείωσης της πολυπλοκότητας των LDPCαποκωδικοποιητών, όπως η επίδραση του κβαντισμού των δεδομένων εισόδου. Από το μοντέλο λογισμικού εξάγονται οι σχεδιαστικοί παράμετροι για τον σχεδιασμό του αποκωδικοποιητή σε επίπεδο υλικού.Ο αποκωδικοποιητής υλοποιήθηκε μέσω του εργαλείου Vitis High-Level Synthesis. Αξιοποιώντας την ευελιξία του, εφαρμόστηκαν τεχνικές σε επίπεδο υλικού με στόχο να επιτευχθεί μια αποδοτικότερη σχεδίαση.Τέλος ο αποκωδικοποιητής ενσωματώθηκε σε συσκευή FPGA και η ορθή λειτουργίας του επιβεβαιώθηκε πειραματικά.
Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ανάλυση και σχεδίαση αποκωδικοποιητών Low-Density Parity Check (LDPC) για δίκτυα πέμπτης γενιάς (5G). Οι LDPC κώδικες χαρακτηρίζονται από υψηλή διορθωτική ικανότητα. Ωστόσο, η αυξημένη πολυπλοκότητά τους συνεπάγεται σημαντικές απαιτήσεις σε πόρους. Συνεπώς η υλοποίηση αποδοτικών VLSI αποκωδικοποιητών ενέχει πολλές προκλήσεις.Σε αρχικό στάδιο πραγματοποιείται η προσομοίωση ενός ολοκληρωμένου συστήματος κωδικοποίησης καναλιού σύμφωνα με το πρότυπο 5G σε επίπεδο λογισμικού. Μέσω αυτού παρέχεται η δυνατότητα ανάλυσης και αξιολόγησης μεθόδων μείωσης της πολυπλοκότητας των LDPCαποκωδικοποιητών, όπως η επίδραση του κβαντισμού των δεδομένων εισόδου. Από το μοντέλο λογισμικού εξάγονται οι σχεδιαστικοί παράμετροι για τον σχεδιασμό του αποκωδικοποιητή σε επίπεδο υλικού.Ο αποκωδικοποιητής υλοποιήθηκε μέσω του εργαλείου Vitis High-Level Synthesis. Αξιοποιώντας την ευελιξία του, εφαρμόστηκαν τεχνικές σε επίπεδο υλικού με στόχο να επιτευχθεί μια αποδοτικότερη σχεδίαση.Τέλος ο αποκωδικοποιητής ενσωματώθηκε σε συσκευή FPGA και η ορθή λειτουργίας του επιβεβαιώθηκε πειραματικά.
Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά τους κώδικες διόρθωσης λαθών LDPC και την υλοποίηση μιας αρχιτεκτονικής αποκωδικοποιητή LDPC για ένα σύστημα 5G New Radio Reduced Capability (RedCap). Γίνεται εισαγωγή στην Quasi-Cyclic δομή των κωδίκων για το πρότυπο αυτό και στους αλγόριθμους αποκωδικοποίησης που χρησιμοποιούνται στο υλικό. Δημιουργείται μοντέλο σε MATLAB για την προσομοίωση της διορθωτικής συμπεριφοράς των κωδίκων LDPC του 5G NR σε ένα εύρος τιμών SNR και για διαφορετικά σχήματα διαμόρφωσης με σκοπό την εξαγωγή σχεδιαστικών παραμέτρων. Μελετάται πώς η μέθοδος κανονικοποίησης των LLR fixed-point αναπαράστασης με 5-bit ακρίβεια επηρεάζει τη διορθωτική ικανότητα του αποκωδικοποιητή. Αναπτύσσεται αρχιτεκτονική που υιοθετεί στοιχεία της βιβλιογραφίας, στηρίζεται σε αυτά, αλλά διαφοροποιείται επιδιώκοντας να επιτύχει καλύτερους συμβιβασμούς μεταξύ εμβαδού και απόδοσης.
Η διόρθωση λαθών με κώδικες LDPC είναι μεγάλου ενδιαφέροντος σε σημαντικές νέες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, όπως δορυφορικό Digital Video Broadcast (DVB) DVB-S2, IEEE 802.3an (10GBASE-T) και IEEE 802.16 (WiMAX). Οι κώδικες LDPC ανήκουν στην κατηγορία των γραμμικών μπλοκ κωδικών. Πρόκειται για κώδικες ελέγχου και διόρθωσης σφαλμάτων μετάδοσης, με κυριότερο χαρακτηριστικό τους τον χαμηλής πυκνότητας πίνακα ελέγχου ισοτιμίας (Low Density Parity Check), από τον οποίο και πήραν το όνομά τους. Η αποκωδικοποίηση γίνεται μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας ανταλλαγής πληροφορίας μεταξύ δύο τύπων επεξεργαστικών μονάδων. Η υλοποίηση σε υλικό των LDPC αποκωδικοποιητών αποτελεί ένα ραγδαία εξελισσόμενο πεδίο για τη σύγχρονη επιστημονική έρευνα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας υπήρξε ο σχεδιασμός, η υλοποίηση και η βελτιστοποίηση αρχιτεκτονικών αποκωδικοποιητών VLSI για κώδικες LDPC. Έχουν αναπτυχθεί διάφοροι αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης, οι οποίοι είναι επαναληπτικοί. Μελετήθηκαν αρχιτεκτονικές βασισμένες σε δύο αλγόριθμους, τον log Sum-Product και τον Min-Sum. Ο πρώτος είναι θεωρητικά βέλτιστος, αλλά ο Min-Sum είναι αρκετά απλούστερος και έχει μεγαλύτερο πρακτικό ενδιαφέρον στα πλαίσια μιας ρεαλιστικής εφαρμογής. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν δύο αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης, οι οποίοι χρησιμοποιούν ως δομικά στοιχεία, τους δύο προαναφερθέντες αλγορίθμους και τη φιλοσοφία του layered decoding. Η μελέτη μας επικεντρώθηκε σε κώδικες, η δομή των πινάκων ελέγχου ισοτιμίας των οποίων, προσφέρεται για υλοποίηση. Για αυτό το λόγο, χρησιμοποιήσαμε κώδικες του προτύπου WiMax 802.16e. Η συνεισφορά της παρούσας εργασίας έγκειται στο σχεδιασμό και την υλοποίηση αποδοτικών αρχιτεκτονικών σε επίπεδο επιφάνειας και ταχύτητας αποκωδικοποίησης (Mbps), καθώς και η διερεύνηση του σχετικού σχεδιαστικού χώρου, χρησιμοποιώντας ως σχεδιαστικές παραμέτρους, τον αλγόριθμο αποκωδικοποίησης, τη χρονοδρομολόγηση των πράξεων, το βαθμό παραλληλίας της αρχιτεκτονικής, το βάθος του pipelining και την αριθμητική αναπαράσταση των δεδομένων. Επιπλέον, είναι σημαντικό να αναφέρουμε πως, στα πλαίσια της σχεδίασης του LDPC αποκωδικοποιητή και με τη βοήθεια του εργαλείου Matlab, αναπτύχθηκαν παραμετρικά scripts για την παραγωγή του VHDL κώδικα. Οι δύο βασικές παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το πλήθος των επεξεργαστικών μονάδων και το μήκος λέξης των δεδομένων. Τα scripts αυτά αποτέλεσαν ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο κατά τη διαδικασία ανάπτυξης και βελτιστοποίησης της αρχιτεκτονικής, δίνοντας μας τη δυνατότητα να παράγουμε με αυτοματοποιημένο και γρήγορο τρόπο τον VHDL κώδικα, για τις επιμέρους μονάδες του αποκωδικοποιητή. Η υλοποίηση ενός μοντέλου αποκωδικοποιητή σε υλικό, μας δίνει τη δυνατότητα να διεξάγουμε ταχύτατες εξομοιώσεις, σε σχέση με αντίστοιχες υλοποιήσεις σε λογισμικό (π.χ. σε Matlab περιβάλλον). Διαθέτουμε, έτσι, ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της επίδοσης διαφόρων ρεαλιστικών υλοποιήσεων αποκωδικοποιητών. Κατά τη διάρκεια της υλοποίησης, αξιοποιήθηκε αναπτυξιακό σύστημα βασισμένο σε virtex-4 fpga.
Οι κώδικες LDPC είναι κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων που παρέχουν επιδόσεις ρυθμού μετάδοσης πληροφορίας κοντά στη χωρητικότητα του καναλιού και προτάθηκαν για πρώτη φορά από τον Gallager στις αρχές της δεκαετίας του 60. Ωστόσο, μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 90, παρέμειναν στο περιθώριο καθώς η υλοποίηση των αποκωδικοποιητών τους σε υλικό δεν ήταν δυνατή μέχρι τότε. Χαρακτηρίζονται από έναν αραιό πίνακα ελέγχου ισοτιμίας ο οποίος καθορίζει το κύκλωμα και κατά συνέπεια την πολυπλοκότητα του αποκωδικοποιητή. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται οι κυριότεροι LDPC αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Ακόμη, έγιναν συγκρίσεις μεταξύ τους για τους κώδικες του προτύπου IEEE 802.11ac σε απλές συνθήκες μετάδοσης και του προτύπου IEEE 802.11ah για όλες τις πιθανές συνθήκες μετάδοσης. Σκοπός αυτής της χαρτογράφησης ήταν η εύρεση της βέλτιστης επιλογής αλγορίθμου ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες. Μετά από μελέτη των αλγορίθμων, διαπιστώθηκε μια έντονη μείωση της απόδοσης ορισμένων αποκωδικοποιητών όταν υπόκεινται σε puncturing, μια διαδικασία επεξεργασίας που έχει ως σκοπό την αύξηση του πραγματικού ρυθμού του κώδικα. Στην συνέχεια έγινε διερεύνηση της συμπεριφοράς των συγκεκριμένων αλγορίθμων και προτάθηκαν προσεγγίσεις ώστε να βελτιωθούν οι επιδόσεις τους σε επίπεδο ρυθμού σφαλμάτων. Τέλος, σχεδιάστηκε ένα από τα προτεινόμενα συστήματα αποκωδικοποίησης punctured κωδίκων σε γλώσσα υλικού και υλοποιήθηκε με την βοήθεια εργαλείων σχεδίασης. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες μέθοδοι σχεδίασης με σκοπό να μειωθεί η συνολική απαιτούμενη επιφάνεια υλικού της αρχιτεκτονικής και να αυξηθεί το throughput της σχεδίασης.
Τα φάρμακα μέσω της αλληλεπίδρασης τους κυρίως με συγκεκριμένες πρωτεΐνες-στόχους, ρυθμίζουν βιοχημικά μονοπάτια και φυσιολογικές λειτουργίες με στόχο την πρόληψη και τη θεραπεία των διαφόρων ασθενειών. Το αυξανόμενο κόστος και οι μακροχρόνιοι περίοδοι ανάπτυξης των νέων φαρμάκων αποτελούν σημαντική πρόκληση για τη φαρμακοβιομηχανία. Σύμφωνα με πρόσφατα δεδομένα, το 92.5% των υποψηφίων φαρμάκων αποτυγχάνει. Αυτό οδηγεί σε σημαντική απώλεια πόρων και χρόνου με το μέσο συνολικό κόστος ανάπτυξης ενός φαρμάκου να ανέρχεται στα 879.3 εκατομμύρια δολάρια και τον μέσο χρόνο ανάπτυξης του στα 15 χρόνια. Το κόστος της ανάπτυξης νέων φαρμάκων αναμένεται να συνεχίσει να αυξάνεται στο μέλλον, γεγονός που κάνει επιτακτική την ανάγκη εύρεσης νέων προσεγγίσεων που θα μειώσουν το κόστος και τον χρόνο ανάπτυξης. Τα τελευταία χρόνια, η μηχανική μάθηση έχει συνεισφέρει σημαντικά προς αυτή την κατεύθυνση. Επιπλέον, η μεγάλη αύξηση των διαθέσιμων βιολογικών δεδομένων έχει βοηθήσει τις μεθόδους βαθιάς μάθησης να επιδείξουν ανώτερες επιδόσεις σε σύγκριση με τη συμβατική μηχανική μάθηση και άλλες παραδοσιακές υπολογιστικές μεθόδους. Ωστόσο, οι μέθοδοι αυτές είναι πολύπλοκες και χρονοβόρες, γεγονός που αποτελεί σημαντικό εμπόδιο στην πρακτική εφαρμογή τους. Στο πλαίσιο αυτό, η κβαντική υπολογιστική και η κβαντική μηχανική μάθηση προσφέρουν θεωρητικά υποσχόμενες λύσεις για την αποτελεσματική αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη κλασική μηχανική μάθηση και την κβαντική υπολογιστική, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα πεδία μπορούν να συνδυαστούν αποτελεσματικά, στη δημιουργία ενός νέου ερευνητικού πεδίου αυτό της κβαντικής μηχανικής μάθησης. Επιπλέον, στη συγκεκριμένη εργασία παρουσιάζονται αναλυτικά οι εφαρμογές της κβαντικής μηχανικής μάθησης στο πεδίο της ανακάλυψης φαρμάκων. Η πρόβλεψη της συγγένειας πρόσδεσης φαρμάκων σε πρωτεΐνες-στόχους, είναι ένα από τα πιο σημαντικά θέματα στην ανακάλυψη φαρμάκων. Παρουσιάζουμε τους κλασικούς αλγόριθμους μηχανικής μάθησης που προβλέπουν τη συγγένεια πρόσδεσης και συζητάμε διάφορα θέματα όπως η αναπαράσταση των δεδομένων. Προτείνουμε υβριδικά κβαντο-κλασικά νευρωνικά δίκτυα για την πρόβλεψη της συγγένειας πρόσδεσης πρωτεΐνης-στόχου και πιθανού φαρμάκου καθώς και ένα πλαίσιο υλοποίησης και αξιολόγησης κλασικών και υβριδικών κβαντο-κλασικών νευρωνικών δικτύων. Αρχικά, σχεδιάζουμε ένα μεταβλητό κβαντικό αλγόριθμο για την πρόβλεψη τιμών και ένα κλασικό συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο μιας διάστασης για την παράλληλη εξαγωγή χαρακτηριστικών των πρωτεϊνών και των φαρμάκων. Διατηρώντας το κλασικό συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο σταθερό, υλοποιούμε διάφορα κλασικά και υβριδικά κβαντο-κλασικά μοντέλα. Στην κλασική προσέγγιση, υλοποιούνται τρία κλασικά τμήματα πρόβλεψης διαφορετικών πολυπλοκοτήτων χρησιμοποιώντας τρία πλήρως συνδεδεμένα στρώματα. Ενώ στην υβριδική προσέγγιση, υλοποιούνται πέντε κβαντικά τμήματα πρόβλεψης, συνδυάζοντας τον μεταβλητό κβαντικό αλγόριθμο πρόβλεψης, με διαφορετικές κβαντικές κωδικοποιήσεις, και με κβαντικά κυκλώματα διαφορετικών qubits. Τα πειράματα εκτελέστηκαν σε προσομοιωτή και τα ευρήματά μας δείχνουν σαφώς ότι τα υβριδικά κβαντο-κλασικά μοντέλα με χαμηλότερη πολυπλοκότητα αποδίδουν βελτιωμένη ακρίβεια και γενίκευση, επιδεικνύοντας το κβαντικό πλεονέκτημα. Επιπλέον, τα υβριδικά μοντέλα επιταχύνουν τη διαδικασία εκπαίδευσης όσον αφορά τις επαναλήψεις και επιτυγχάνουν ταχύτερη σταθεροποίηση. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι η κβαντική μηχανική μάθηση αποτελεί μια υποσχόμενη κατεύθυνση. Τέλος, η παρούσα διατριβή παρέχει σημαντικές γνώσεις και μεθοδολογίες που μπορούν να βελτιώσουν την εφαρμογή και την αξιολόγηση των τεχνικών κβαντικής μηχανικής μάθησης, ενισχύοντας την πρακτική εφαρμογή τους σε κβαντικές θορυβώδες- ενδιάμεσης κλίμακας συσκευές.
Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την μελέτη κωδικών διόρθωσης λαθών LDPC και την κατασκευή ενός αποκωδικοποιητή LDPC για το πρότυπο 5G NR. Η εργασία δομείται σε οκτώ μέρη. Αρχικά παρουσιάζονται γενικές πληροφορίες για την ιστορία των δικτύων επικοινωνίας και για τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένα κανάλι επικοινωνίας. Στο δεύτερο σκέλος γίνεται μια εισαγωγή στους LDPC κώδικες και στους διάφορους αλγορίθμους που υπάρχουν. Έπειτα ακολουθεί η ανάλυση του προτύπου 5G NR. Εν συνεχεία αναλύεται η υπάρχουσα βιβλιογραφία πάνω στο θέμα των LDPC, γεγονός βασικό για να μπορέσει να συγκριθεί η υπάρχουσα διπλωματική στο γενικό σύνολο. Στο κεφάλαιο 5 αναπτύσσεται ένα βασικό μοντέλο του αποκωδικοποιητή σε Matlab, προσδιορίζονται ορισμένες βασικές παράμετροι του αποκωδικοποιητή, επιλέγεται ο κβαντισμός και παρουσιάζονται ορισμένες προσεγγίσεις για γρηγορότερη σύγκλιση μέσω πρόωρου τερματισμού και τεχνικών επαναπρογραμματισμού. Στις δύο επόμενες ενότητες, παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του αποκωδικοποιητή και το πειραματικό μέρος χρήσης ενός αναπτυξιακού συστήματος. Τέλος παραθέτονται τα συμπεράσματα.
Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της πειραματικής κατασκευής κβαντικών υπολογιστών με εξαρτήματα αυξημένης αξιοπιστίας δείχνει ότι η κατασκευή τέτοιων μεγάλων μηχανών βασισμένων στις αρχές της κβαντικής φυσικής είναι πιθανή στο κοντινό μέλλον. Καθώς το μέγεθος των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών θα αυξάνεται, η σχεδίαση αποδοτικότερων κβαντικών κυκλωμάτων και μεθόδων σχεδίασης θα αποκτήσει σταδιακά πρακτικό ενδιαφέρον. Η συνεισφορά της διατριβής στην κατεύθυνση της σχεδίασης αποδοτικών κβαντικών κυκλωμάτων είναι διττή: Η πρώτη είναι η σχεδίαση καινοτόμων αποδοτικών αριθμητικών κβαντικών κυκλωμάτων βασισμένων στον Κβαντικό Μετασχηματισμό Fourier (QFT), όπως πολλαπλασιαστής-με-σταθερά-συσσωρευτής (MAC) και διαιρέτης με σταθερά, με γραμμικό βάθος (ή ταχύτητα) ως προς τον αριθμό ψηφίων των ακεραίων. Αυτά τα κυκλώματα συνδυάζονται αποτελεσματικά ώστε να επιτελέσουν την πράξη του modulo πολλαπλασιασμού με σταθερά με γραμμική πολυπλοκότητα χρόνου και χώρου και συνεπώς μπορούν να επιτελέσουν την πράξη της modulo εκθετικοποίησης (modular exponentiation) με τετραγωνική πολυπλοκότητα χρόνου και γραμμική πολυπλοκότητα χώρου. Οι πράξεις της modulo εκθετικοποίησης και του modulo πολλαπλασιασμού είναι αναπόσπαστα μέρη του σημαντικού κβαντικού αλγορίθμου παραγοντοποίησης του Shor, αλλά και άλλων κβαντικών αλγορίθμων της ίδιας οικογένειας, γνωστών ως κβαντική εκτίμηση φάσης (Quantum Phase Estimation). Αντιμετωπίζονται με αποτελεσματικό τρόπο σημαντικά προβλήματα υλοποίησης, που σχετίζονται με την απαίτηση χρήσης κβαντικών πυλών περιστροφής υψηλής ακρίβειας, καθώς και της χρήσης τοπικών επικοινωνιών. Η δεύτερη συνεισφορά της διατριβής είναι μία γενική μεθοδολογία ιεραρχικής σύνθεσης κβαντικών και αντιστρέψιμων κυκλωμάτων αυθαίρετης πολυπλοκότητας και μεγέθους. Η ιεραρχική μέθοδος σύνθεσης χειρίζεται καλύτερα μεγάλα κυκλώματα σε σχέση με τις επίπεδες μεθόδους σύνθεσης. Η προτεινόμενη μέθοδος προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συνήθεις ιεραρχικές συνθέσεις που χρησιμοποιούν την μέθοδο "υπολογισμός-αντιγραφή-αντίστροφος υπολογισμός" του Bennett.